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I transistor sono la base dell'elettronica moderna. Sono essenziali per il controllo in quasi tutti i circuiti. A volte li vedi, altre sono nascosti all`interno di un circuito integrato. In questo tutorial apprenderemo le basi del transistor a giunzione bipolare (BJT).
In piccole quantità i transistor possono essere utilizzati per creare semplici interruttori elettronici, "logica digitale" e circuiti di amplificazione dei segnali. In quantità di migliaia, milioni o miliardi i transistor sono interconnessi e incorporati in minuscoli chip per creare memorie per computer, microprocessori e altri circuiti integrati complessi.
In questa esercitazione
Dopo la lettura di questo tutorial dovresti avere una visione più ampia di come funzionano i transistor. Non andremo a scavare troppo nella fisica dei semiconduttori o equivalenti, ma capirete come un transistor può essere utilizzato sia come interruttore che come amplificatore.
SIMBOLI PIN E COSTRUZIONE
I transistor sono dispositivi costituiti da tre terminali. Su un transistor a giunzione bipolare (BJT) i pin sono etichettati come Collettore (C), Base (B) ed Emettitore (E).
I simboli circuitali sia per il BJT NPN e PNP sono i seguenti:
L'unica differenza tra un NPN e PNP è la direzione della freccia sull'emettitore.
Costruzione
I transistor si basano sui semiconduttori. Un semiconduttore è un materiale che non conduce molto (come il filo di rame) ma non è neanche un isolante (come l'aria). La conduttività di un semiconduttore dipende da variabili quali la temperatura o la presenza di più o meno elettroni. Vediamo brevemente come è composto un transistor al suo interno.
Un transistor come due diodi
I transistor sono solo due diodi con i loro catodi (o anodi) legati insieme.
La rappresentazione dei diodi è un buon punto di partenza ma non basate la vostra comprensione di funzionamento di un transistor su quel modello (non cercate di replicare su una breadboard, non funzionerà).
Questo modello è utile per testare un transistor. Utilizzando la funzione di prova di un diodo sul multimetro è possibile misurare tra i terminali BE e BC per verificare la conduttività o meno.
Transistor struttura e funzionamento
I transistor sono costruiti sovrapponendo tre diversi strati di materiale semiconduttore. Alcuni di questi strati hanno elettroni extra aggiunti (tramite un processo chiamato "doping" o "drogaggio") e altri hanno mancanza di elettroni (drogato con "lacune" assenza di elettroni).
Un materiale semiconduttore con elettroni in più è chiamato tipo n ( n sta per negativo perchè gli elettroni hanno una carica negativa) e un materiale con mancanza di elettroni viene chiamato di tipo p (positivo).
Possiamo dire che gli elettroni possono fluire facilmente da una regione n a una regione p, purché abbiano una piccolissima forza (tensione) per spingerli. Ma scorrere da una regione p a una regione n richiederebbe un sacco di tensione.
Il transistor NPN è progettato per trasmettere elettroni dall`emettitore al collettore (la corrente fluisce in modo convenzionale dal collettore all`emettitore).
Il transistor è un po' come una valvola di elettroni, la base è come se fosse una maniglia per consentire agli elettroni di fluire dall`emettitore al collettore. Cerchiamo di approfondire questa analogia...
Transistor come rubinetto, analogia con l`acqua
Se avete letto altri tutorial sul concetto di energia elettrica probabilmente siete abituati alle analogie con l`acqua. Diciamo che la corrente è analoga alla portata d`acqua, la tensione è la pressione che spinge l`acqua in un tubo e la resistenza è la larghezza del tubo stesso.
L'analogia con l'acqua può essere estesa ai transistor. Un transistor è come un valvola, un meccanismo che possiamo usare per controllare la portata.
Possiamo elencare tre stadi di utilizzo di una valvola, ciascuno dei quali ha un diverso effetto sul tasso di flusso di un sistema.
1) ON - Corto Circuito
Una valvola può essere aperta, permettendo all'acqua di fluire liberamente
Allo stesso modo, nelle giuste circostanze, un transistor può apparire come un corto circuito tra i pin collettore ed emettitore.
2) OFF- Circuito Aperto
Quando una valvola è chiusa può fermare il flusso d'acqua completamente.
Allo stesso modo un transistor può essere usato per creare un circuito aperto tra il pin collettore ed emettitore
3) Controllo lineare del flusso
Una valvola può essere regolata per controllare la portata d'acqua tra completamente aperta e chiusa.
Un transistor può fare la stessa cosa (controllo lineare della corrente) attraverso un circuito tra completamente OFF (circuito aperto) e completamente ON (corto circuito).
Modalità operative
Diversamente dalle resistenze che attuano una relazione lineare tra tensione e corrente, i transistor sono dispositivi non lineari. Hanno diverse modalità di funzionamento a seconda della corrente che li attraversa. (Quando parliamo del flusso della corrente che attraversa il transistor, intendiamo la corrente che fluisce dal collettore all'emettitore di un NPN).
Nota: La maggior parte di questa parte di pagina si concentrerà sui transistor NPN. Per capire come funziona un PNP bisognerà semplicemente capovolgere la polarità.
Modalità Saturazione
Un transistor in modalità saturazione si comporta come un cortocircuito tra collettore ed emettitore.
In modalità saturazione entrambi i "diodi" del transistor sono polarizzati direttamente. Ciò significa che VBE deve essere maggiore di 0: In altre parole, VB deve essere superiore sia a VE che a VC .
Poiché la giunzione base-emettitore appare come un diodo, in realtà, VBE deve essere maggiore di una tensione di soglia per entrare in saturazione. Il valore effettivo varia da transistor a transistor (oltre anche alla temperatura). Per molti di questi (a temperatura ambiente) possiamo stimare la soglia a circa 0,7V .
Modalità di taglio o interdizione
La modalità di taglio è l'opposto della saturazione. Quindi possiamo descriverlo come un circuito aperto.
Per ottenere un transistor in modalità di taglio, la tensione sulla base deve essere inferiore sia all'emettitore che al collettore. VBC e VBE devono essere entrambi negativi.
In realtà VBE può essere compreso tra 0V e ~ 0,7V .
Applicazioni dei transistor
Una delle applicazioni più usate per i transistor è quella di controllare un flusso di energia utilizzandolo come interruttore elettrico. Gli interruttori a transistor sono blocchi fondamentali per i circuiti, servono per fare porte logiche, che vanno a creare microcontrollori, microprocessori e altri circuiti integrati. Qui di seguito ci sono alcuni esempi.
Transistor come interruttore
Diamo un occhiata al circuito interruttore a transistor NPN più utilizzato. Qui useremo un NPN per controllare un LED.
Quando la tensione di controllo è fatta fluire sulla base, l'emettitore è mantenuto ad una tensione fissa.
Mentre un normale interruttore richiederebbe un intervento fisico, questo interruttore è controllato dalla tensione al pin base. Un microcontrollore ha pin I/O come quelli su Arduino e può essere programmato HIGH/LOW per accendere o spegnere un LED.
Quando la tensione sulla base è maggiore di 0,7V il transistor si presenta come un cortocircuito tra il collettore e l'emettitore. Quando la tensione sulla base è inferiore di 0,7V il transistor è in modalità cut-off e nessuna corrente fluisce perché è come se fosse un circuito aperto tra C ed E.
Il circuito sopra è chiamato interruttore low-side. In alternativa, si può utilizzare un transistor PNP per creare un interruttore high-side:
Resistenze sulla base
Noterete che ciascuno di tali circuiti utilizza un resistore in serie tra l'ingresso (controllo) e la base del transistor. Non dimenticare di aggiungere questa resistenza! Un transistor senza resistenza sulla base è come un LED senza resistore limitatrice di corrente.
Alcuni transistor possono essere attraversati da una corrente massima di 10-100 mA. Se si fornisce una corrente oltre il valore massimo il transistor potrebbe esplodere.
La resistenza deve essere abbastanza grande da limitare la corrente. Di solito da 1mA a 10mA è sufficiente, ma controllate sempre il datasheet del transistor.
Porte logiche con i transistor
I transistor possono essere combinati per creare tutte le porte logiche fondamentali: AND, OR e NOT
Inverter NOT
Ecco un circuito a transistor che implementa un inverter o porta NOT:
Qui una tensione sulla base attiverà il transistor, che quindi collegherà il collettore all'emettitore.
(Questo è in realtà una configurazione a transistor fondamentale chiamato emettitore comune . Ne riparleremo più avanti.)
Porta AND
Qui troviamo una coppia di transistor utilizzati per creare i 2 input della porta AND
Se uno dei transistor è spento, l'uscita del collettore del secondo transistor sarà bassa. Se entrambi i transistor sono alti (alimentati alla base) allora l'uscita del circuito è alta.
Porta OR
E infine ecco 2 ingressi porta OR:
In questo circuito se uno (o entrambi) A e B sono alti, attivano il rispettivo transistor e portano l'uscita alta. Se entrambi i transistor sono spenti, l'uscita è portata bassa dalla resistenza.
Ponte-H
Un ponte-H in grado di azionare i motori in senso orario e antiorario. È un circuito molto popolare ed è la forza trainante di innumerevoli robot che sono in grado di muoversi sia in avanti che indietro.
Fondamentalmente un ponte-H è una combinazione di quattro transistor con due ingressi e due uscite.
Nota: di solito c'è un po' più in un ponte-H ben progettato che include diodi flyback, resistenze sulla base e trigger di Schmidt.
Se entrambi gli ingressi sono alla stessa tensione le uscite al motore saranno alla stessa tensione e il motore non sarà in grado di girare. Ma se i due ingressi sono opposti il motore girerà in un senso o nell'altro.
Il ponte-H ha una tabella di verità:
Oscillatori
Un oscillatore è un circuito che produce un segnale periodico che oscilla tra una tensione bassa e alta. Gli oscillatori sono utilizzati in tutti i tipi di circuiti: dal semplice lampeggiare di un LED alla produzione di un segnale di clock per guidare un microcontrollore. Ci sono molti modi per creare un circuito oscillatore tra cui cristalli di quarzo, amplificatori operazionali e naturalmente i transistor.
Ecco un esempio di circuito oscillante chiamato multivibratore astabile. Utilizzando il feedback possiamo usare una coppia di transistor per creare due segnali oscillanti.
Oltre ai due transistor, i condensatori sono la vera chiave di questo circuito. I condensatori alternano carica e scarica il che fa si che i due transistor si azioneranno alternativamente ON e OFF.
Analizziamo il funzionamento del circuito per capire il funzionamento dei condensatori e dei transistor. Per cominciare C1 è completamente carico (immagazzina una tensione di circa Vcc), C2 viene scaricato, Q1 è acceso e Q2 è spento.
Ecco cosa succede dopo:
Così, con i valori dei condensatori e delle resistenze fissate rispettivamente a 10μF e 47kΩ, la nostra frequenza dell'oscillatore è di circa 1,5 Hz. Ciò significa che ogni LED lampeggia circa 1,5 volte al secondo.
Come si può vedere ci sono tonnellate di circuiti che fanno uso di transistor. Questi esempi mostrano principalmente come il transistor può essere utilizzato in saturazione e modalità cut-off come un interruttore.
In piccole quantità i transistor possono essere utilizzati per creare semplici interruttori elettronici, "logica digitale" e circuiti di amplificazione dei segnali. In quantità di migliaia, milioni o miliardi i transistor sono interconnessi e incorporati in minuscoli chip per creare memorie per computer, microprocessori e altri circuiti integrati complessi.
In questa esercitazione
Dopo la lettura di questo tutorial dovresti avere una visione più ampia di come funzionano i transistor. Non andremo a scavare troppo nella fisica dei semiconduttori o equivalenti, ma capirete come un transistor può essere utilizzato sia come interruttore che come amplificatore.
SIMBOLI PIN E COSTRUZIONE
I transistor sono dispositivi costituiti da tre terminali. Su un transistor a giunzione bipolare (BJT) i pin sono etichettati come Collettore (C), Base (B) ed Emettitore (E).
I simboli circuitali sia per il BJT NPN e PNP sono i seguenti:
L'unica differenza tra un NPN e PNP è la direzione della freccia sull'emettitore.
Costruzione
I transistor si basano sui semiconduttori. Un semiconduttore è un materiale che non conduce molto (come il filo di rame) ma non è neanche un isolante (come l'aria). La conduttività di un semiconduttore dipende da variabili quali la temperatura o la presenza di più o meno elettroni. Vediamo brevemente come è composto un transistor al suo interno.
Un transistor come due diodi
I transistor sono solo due diodi con i loro catodi (o anodi) legati insieme.
La rappresentazione dei diodi è un buon punto di partenza ma non basate la vostra comprensione di funzionamento di un transistor su quel modello (non cercate di replicare su una breadboard, non funzionerà).
Questo modello è utile per testare un transistor. Utilizzando la funzione di prova di un diodo sul multimetro è possibile misurare tra i terminali BE e BC per verificare la conduttività o meno.
Transistor struttura e funzionamento
I transistor sono costruiti sovrapponendo tre diversi strati di materiale semiconduttore. Alcuni di questi strati hanno elettroni extra aggiunti (tramite un processo chiamato "doping" o "drogaggio") e altri hanno mancanza di elettroni (drogato con "lacune" assenza di elettroni).
Un materiale semiconduttore con elettroni in più è chiamato tipo n ( n sta per negativo perchè gli elettroni hanno una carica negativa) e un materiale con mancanza di elettroni viene chiamato di tipo p (positivo).
Possiamo dire che gli elettroni possono fluire facilmente da una regione n a una regione p, purché abbiano una piccolissima forza (tensione) per spingerli. Ma scorrere da una regione p a una regione n richiederebbe un sacco di tensione.
Il transistor NPN è progettato per trasmettere elettroni dall`emettitore al collettore (la corrente fluisce in modo convenzionale dal collettore all`emettitore).
Il transistor è un po' come una valvola di elettroni, la base è come se fosse una maniglia per consentire agli elettroni di fluire dall`emettitore al collettore. Cerchiamo di approfondire questa analogia...
Transistor come rubinetto, analogia con l`acqua
Se avete letto altri tutorial sul concetto di energia elettrica probabilmente siete abituati alle analogie con l`acqua. Diciamo che la corrente è analoga alla portata d`acqua, la tensione è la pressione che spinge l`acqua in un tubo e la resistenza è la larghezza del tubo stesso.
L'analogia con l'acqua può essere estesa ai transistor. Un transistor è come un valvola, un meccanismo che possiamo usare per controllare la portata.
Possiamo elencare tre stadi di utilizzo di una valvola, ciascuno dei quali ha un diverso effetto sul tasso di flusso di un sistema.
1) ON - Corto Circuito
Una valvola può essere aperta, permettendo all'acqua di fluire liberamente
Allo stesso modo, nelle giuste circostanze, un transistor può apparire come un corto circuito tra i pin collettore ed emettitore.
2) OFF- Circuito Aperto
Quando una valvola è chiusa può fermare il flusso d'acqua completamente.
Allo stesso modo un transistor può essere usato per creare un circuito aperto tra il pin collettore ed emettitore
3) Controllo lineare del flusso
Una valvola può essere regolata per controllare la portata d'acqua tra completamente aperta e chiusa.
Un transistor può fare la stessa cosa (controllo lineare della corrente) attraverso un circuito tra completamente OFF (circuito aperto) e completamente ON (corto circuito).
Modalità operative
Diversamente dalle resistenze che attuano una relazione lineare tra tensione e corrente, i transistor sono dispositivi non lineari. Hanno diverse modalità di funzionamento a seconda della corrente che li attraversa. (Quando parliamo del flusso della corrente che attraversa il transistor, intendiamo la corrente che fluisce dal collettore all'emettitore di un NPN).
Nota: La maggior parte di questa parte di pagina si concentrerà sui transistor NPN. Per capire come funziona un PNP bisognerà semplicemente capovolgere la polarità.
Modalità Saturazione
Un transistor in modalità saturazione si comporta come un cortocircuito tra collettore ed emettitore.
In modalità saturazione entrambi i "diodi" del transistor sono polarizzati direttamente. Ciò significa che VBE deve essere maggiore di 0: In altre parole, VB deve essere superiore sia a VE che a VC .
Poiché la giunzione base-emettitore appare come un diodo, in realtà, VBE deve essere maggiore di una tensione di soglia per entrare in saturazione. Il valore effettivo varia da transistor a transistor (oltre anche alla temperatura). Per molti di questi (a temperatura ambiente) possiamo stimare la soglia a circa 0,7V .
Modalità di taglio o interdizione
La modalità di taglio è l'opposto della saturazione. Quindi possiamo descriverlo come un circuito aperto.
Per ottenere un transistor in modalità di taglio, la tensione sulla base deve essere inferiore sia all'emettitore che al collettore. VBC e VBE devono essere entrambi negativi.
In realtà VBE può essere compreso tra 0V e ~ 0,7V .
Applicazioni dei transistor
Una delle applicazioni più usate per i transistor è quella di controllare un flusso di energia utilizzandolo come interruttore elettrico. Gli interruttori a transistor sono blocchi fondamentali per i circuiti, servono per fare porte logiche, che vanno a creare microcontrollori, microprocessori e altri circuiti integrati. Qui di seguito ci sono alcuni esempi.
Transistor come interruttore
Diamo un occhiata al circuito interruttore a transistor NPN più utilizzato. Qui useremo un NPN per controllare un LED.
Quando la tensione di controllo è fatta fluire sulla base, l'emettitore è mantenuto ad una tensione fissa.
Mentre un normale interruttore richiederebbe un intervento fisico, questo interruttore è controllato dalla tensione al pin base. Un microcontrollore ha pin I/O come quelli su Arduino e può essere programmato HIGH/LOW per accendere o spegnere un LED.
Quando la tensione sulla base è maggiore di 0,7V il transistor si presenta come un cortocircuito tra il collettore e l'emettitore. Quando la tensione sulla base è inferiore di 0,7V il transistor è in modalità cut-off e nessuna corrente fluisce perché è come se fosse un circuito aperto tra C ed E.
Il circuito sopra è chiamato interruttore low-side. In alternativa, si può utilizzare un transistor PNP per creare un interruttore high-side:
Resistenze sulla base
Noterete che ciascuno di tali circuiti utilizza un resistore in serie tra l'ingresso (controllo) e la base del transistor. Non dimenticare di aggiungere questa resistenza! Un transistor senza resistenza sulla base è come un LED senza resistore limitatrice di corrente.
Alcuni transistor possono essere attraversati da una corrente massima di 10-100 mA. Se si fornisce una corrente oltre il valore massimo il transistor potrebbe esplodere.
La resistenza deve essere abbastanza grande da limitare la corrente. Di solito da 1mA a 10mA è sufficiente, ma controllate sempre il datasheet del transistor.
Porte logiche con i transistor
I transistor possono essere combinati per creare tutte le porte logiche fondamentali: AND, OR e NOT
Inverter NOT
Ecco un circuito a transistor che implementa un inverter o porta NOT:
Qui una tensione sulla base attiverà il transistor, che quindi collegherà il collettore all'emettitore.
(Questo è in realtà una configurazione a transistor fondamentale chiamato emettitore comune . Ne riparleremo più avanti.)
Porta AND
Qui troviamo una coppia di transistor utilizzati per creare i 2 input della porta AND
Se uno dei transistor è spento, l'uscita del collettore del secondo transistor sarà bassa. Se entrambi i transistor sono alti (alimentati alla base) allora l'uscita del circuito è alta.
Porta OR
E infine ecco 2 ingressi porta OR:
In questo circuito se uno (o entrambi) A e B sono alti, attivano il rispettivo transistor e portano l'uscita alta. Se entrambi i transistor sono spenti, l'uscita è portata bassa dalla resistenza.
Ponte-H
Un ponte-H in grado di azionare i motori in senso orario e antiorario. È un circuito molto popolare ed è la forza trainante di innumerevoli robot che sono in grado di muoversi sia in avanti che indietro.
Fondamentalmente un ponte-H è una combinazione di quattro transistor con due ingressi e due uscite.
Nota: di solito c'è un po' più in un ponte-H ben progettato che include diodi flyback, resistenze sulla base e trigger di Schmidt.
Se entrambi gli ingressi sono alla stessa tensione le uscite al motore saranno alla stessa tensione e il motore non sarà in grado di girare. Ma se i due ingressi sono opposti il motore girerà in un senso o nell'altro.
Il ponte-H ha una tabella di verità:
Oscillatori
Un oscillatore è un circuito che produce un segnale periodico che oscilla tra una tensione bassa e alta. Gli oscillatori sono utilizzati in tutti i tipi di circuiti: dal semplice lampeggiare di un LED alla produzione di un segnale di clock per guidare un microcontrollore. Ci sono molti modi per creare un circuito oscillatore tra cui cristalli di quarzo, amplificatori operazionali e naturalmente i transistor.
Ecco un esempio di circuito oscillante chiamato multivibratore astabile. Utilizzando il feedback possiamo usare una coppia di transistor per creare due segnali oscillanti.
Oltre ai due transistor, i condensatori sono la vera chiave di questo circuito. I condensatori alternano carica e scarica il che fa si che i due transistor si azioneranno alternativamente ON e OFF.
Analizziamo il funzionamento del circuito per capire il funzionamento dei condensatori e dei transistor. Per cominciare C1 è completamente carico (immagazzina una tensione di circa Vcc), C2 viene scaricato, Q1 è acceso e Q2 è spento.
Ecco cosa succede dopo:
- Se Q1 è attivato, piastra sinistra di C1 (sullo schema) è collegato a circa 0V. Questo permetterà a C1 di scaricarsi attraverso il collettore di Q1.
- Mentre si sta scaricando C1, C2 carica rapidamente attraverso la resistenza di valore inferiore - R4.
- Una volta che C1 si scarica completamente, il suo piatto destro sarà ad una tensione di circa 0,6 V, che si rigetterà in Q2.
- A questo punto : C1 viene scaricata, C2 è carica, Q1 è spento, e Q2 è ON. Ora facciamo la stessa cosa ma nella direzione opposta.
- Mentre Q1 è spento, C1 può caricare, in tempi relativamente brevi attraverso R1.
- Una volta che C2 si scarica completamente, Q1 sarà di nuovo nella condizione dove abbiamo iniziato.
Così, con i valori dei condensatori e delle resistenze fissate rispettivamente a 10μF e 47kΩ, la nostra frequenza dell'oscillatore è di circa 1,5 Hz. Ciò significa che ogni LED lampeggia circa 1,5 volte al secondo.
Come si può vedere ci sono tonnellate di circuiti che fanno uso di transistor. Questi esempi mostrano principalmente come il transistor può essere utilizzato in saturazione e modalità cut-off come un interruttore.
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